JP2005337899A

JP2005337899A - 角速度センサ及び角速度センサ用音叉型振動子の製造方法

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Publication number: JP2005337899A
Application number: JP2004157393A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ouchi; 智大内; Hiroyuki Aizawa; 宏幸相澤; Toshiyuki Nozoe; 利幸野添
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP4529545B2

Abstract

【課題】本発明は、Ｘ軸方向への音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を抑制できる角速度センサ用音叉型振動子をシリコンウエハに一括して形成できる製造方法およびその薄型な角速度センサ用音叉型振動子を用いた角速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】音叉型振動子３のアーム１ａ，１ｂのそれぞれの主面１ｃ，１ｄ上の先端側であり、かつ、それぞれの外側、内側に付加質量７ａ，７ｂを設け、さらにアーム１ａ，１ｂのそれぞれの主面１ｃ，１ｄ上の先端側であり、かつ、それぞれの内側、外側に溝８ａ，８ｂを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ軸方向への音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を抑制できる角速度センサ及び角速度センサ用音叉型振動子の製造方法に関するものである。

ドライエッチングを用いて角速度センサ用音叉型振動子を形成する製造方法としては、図７に示すようなものが知られている。図７において、１００はドライエッチング用のプラズマ発生源、１０１はプラズマ発生源１００から出射されるプラズマの進行方向、１０２はドライエッチング用マスクとしてのレジスト膜、１０３はシリコンウエハである。

レジスト膜１０２には、シリコンウエハ１０３内に複数の音叉型振動子を形成するための開口部が設けられている。

このレジスト膜１０２をシリコンウエハ１０３に重ね、プラズマ発生源１００から発せられるプラズマによりドライエッチングを行い、音叉型振動子を形成する。

図８は、図７に示す角速度センサ用音叉型振動子の製造方法におけるＡ部断面の詳細な製造工程を説明する工程図である。

図８において、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃはレジスト膜１０２内に設けられた音叉型振動子の各アームに対応した部分、１０４ａは１０２ａ部分と１０２ｂ部分の間に開口しドライエッチングされていく部分、１０４ｂは１０２ｂ部分と１０２ｃ部分の間に開口しドライエッチングされていく部分、１０５，１１２，１１３は保護膜、１０６，１０８，１０９，１１１はアームの側面、１０７，１１０はシリコンウエハ１０３におけるドライエッチング進行中の底部である。

図８（ａ）において、１０４ａ部分、１０４ｂ部分に対するプラズマの進行方向１０１は、シリコンウエハ１０３の法線に対して傾斜しているため、プラズマによるサイドエッチング効果により側面１０６、側面１０９はプラズマの進行方向１０１に対応するように傾斜する。しかし、側面１０８、側面１１１はそれぞれ１０２ｂ部分と１０２ｃ部分により影となるため、プラズマによるサイドエッチングは少なく、シリコンウエハ１０３のほぼ法線方向と平行になる。

図８（ｂ）において、図８（ａ）に見られるようなサイドエッチングの影響をできる限り軽減するために保護膜１０５を形成する。

図８（ｃ）から図８（ｆ）においては、それぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）に示した製造工程が繰り返される。

図８（ｇ）において、図８（ｆ）に示す保護膜１１３に覆われている状態からプラズマにより最終のドライエッチングが行われ、音叉型振動子のアームがシリコンウエハ１０３から完成した状態を示している。

図８（ｇ）においても、図８（ａ）に示した音叉型振動子のアームの側面形状と同様に側面１０６，１０９はプラズマによるサイドエッチング効果によりプラズマの進行方向１０１に対応するように傾斜する。同じく、側面１０８，１１１はプラズマによるサイドエッチングは少なく、シリコンウエハ１０３のほぼ法線方向と平行になる。

上述したような角速度センサ用音叉型振動子の製造方法においては、シリコンウエハ１０３内に形成された音叉型振動子のアームの断面形状がシリコンウエハ１０３の中心部から周辺部に向かうほど矩形状から台形状へと変化する。そればかりか、シリコンウエハ１０３内での形成される位置毎にも異なってくる。これにより、シリコンウエハ１０３の中心部以外に形成された音叉型振動子においては、この振動子を音叉振動させる時にどうしても音叉振動方向以外への不要振動成分が発生してしまう。この不要振動成分の発生を抑制するために、例えば、特許文献１に記載されているような調整方法が用いられている。この調整方法は、シリコンウエハ１０３内に形成された音叉型振動子毎にそれぞれ個別に開口部を有したマスク（図示せず）を前記音叉型振動子に一体に貼り付けた状態で、音叉振動方向以外への不要振動成分が発生しなくなるまで計測しながら音叉型振動子のアームの質量を減じたり、または質量を付加したりする。
特開平１０−１３２５７３号公報

しかしながら前述した従来の音叉型振動子の調整方法においては、開口部を有したマスクを音叉型振動子毎に一つ一つ一体に貼り付けなければならないため、音叉型振動子の厚さはどうしても厚くなってしまう。また、シリコンウエハ１０３内に形成された音叉型振動子の位置毎にアームの断面形状がそれぞれ異なる音叉型振動子毎に一つ一つ調整しなければならないという問題点もあった。

本発明は、音叉型振動子のＸ軸方向への音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を抑制できる角速度センサ用音叉型振動子をシリコンウエハに一括して形成できる製造方法およびその薄型な角速度センサ用音叉型振動子を用いた角速度センサを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部がドライエッチング加工により形成された音叉型振動子と、前記アームの主面上に前記アームをＸ軸方向に駆動するために設けられた駆動部と、Ｙ軸周りに印加された角速度に起因する前記アームのＺ軸方向への振動を検出するための前記アームの主面上に設けられた検出部とを備えた角速度センサにおいて、前記アームをＸ軸方向に駆動する時に前記アームのＺ軸方向への不要な振動部分の発生を抑えるために、前記アームの内の一方のアームの主面上の内側に偏在した第１の所定の位置に前記ドライエッチング加工により第１の所定の凹部が設けられている場合は、前記第１の所定の位置に対応するように前記アームの内の他方のアームの主面上の外側に偏在した第２の所定の位置に前記ドライエッチング加工により同時に前記第１の所定の凹部とほぼ同じ形状の第２の所定の凹部が設けられ、前記第１の所定の凹部が前記一方のアームの主面上の外側に偏在した第３の所定の位置に前記ドライエッチング加工により設けられている場合は、前記第３の所定の位置に対応するように前記他方のアームの主面上の内側に偏在した第４の所定の位置に前記ドライエッチング加工により同時に前記第１の所定の凹部とほぼ同じ形状の前記第２の所定の凹部が設けられた角速度センサであり、薄型な角速度センサ用音叉型振動子でありながら、音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を抑制できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１または第３の所定の位置に設けられた第１の所定の凹部と第２または第４の所定の位置に設けられた第２の所定の凹部は、アームのＹ軸方向に伸びた所定の長さ、幅と深さを有した溝であり、音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を広範囲かつ高精度に抑制できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１、第２の所定の位置にそれぞれ第１、第２の所定の凹部が設けられている場合は、第３、第４の所定の位置にそれぞれほぼ同一の形状の第１、第２の所定の凸状の付加質量が設けられ、前記第３、第４の所定の位置にそれぞれ前記第１、第２の所定の凹部が設けられている場合は、前記第１、第２の所定の位置にそれぞれ前記第１、第２の所定の凸状の付加質量が設けられており、アーム上に構成される駆動部および検出部と同一の材料を用いて、音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を広範囲に抑制できる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、第１または第３の所定の位置に設けられた第１の所定の凸状の付加質量と第２または第４の所定の位置に設けられた第２の所定の凸状の付加質量は、アームのＹ軸方向に伸びた所定の長さ、幅と厚さを有した矩形状であり、音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を広範囲に抑制する場合、調整量の管理が容易になる。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、第１、第２の所定の凸状の付加質量は、物理的蒸着法により形成された金属材料または圧電材料の少なくともいずれか１つからなり、アーム上に構成される駆動部および検出部と同一の材料を用いて、必要に応じて前記金属材料または圧電材料を選択することで、音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を広範囲に、かつ、微小な調整が容易となる。

請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、第１、第２の所定の凹部としての溝の幅の寸法は、一方のアームと他方のアームの間の隙間の寸法に対して、ほぼ１／１０以下であり、音叉を構成する材料の厚さに対して音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を任意に調整することが容易となる。

請求項７に記載の発明は、所定の大きさのシリコンウエハ上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に圧電膜を形成する工程と、この圧電膜上に上部電極を形成する工程と、所定の大きさの第１の開口部を有した第１のレジスト膜を介して前記下部電極、圧電膜と上部電極を第１のドライエッチング加工により、前記シリコンウエハ上の所定の位置に、所定の形状の駆動部と検出部とをそれぞれ複数形成する工程と、所定の位置に前記駆動部と前記検出部とを所定の個数含んだ少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部とを有する音叉型振動子を前記シリコンウエハから所定の大きさの第２の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により複数形成する工程とを備えた角速度センサ用音叉型振動子の製造方法において、前記第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が前記各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、前記複数の音叉型振動子の各アームの主面上の前記駆動部と前記検出部を除く部分に前記プラズマの進行方向に対応させてさらに設けられた所定の大きさの第３の開口部を有した前記第２のレジスト膜を介して前記第２のドライエッチング加工により前記各アームの主面に所定の凹部を形成する工程を有しており、前記第２のドライエッチング加工時のプラズマの進行方向の違いに対応して複数の音叉型振動子の各アームの断面形状に生ずる不均一性に基づき、前記各アームをＸ軸方向に音叉駆動する際にＺ軸方向に不要信号を誘発することになる前記断面形状の不均一性を、前記第２のドライエッチング加工時に一括して解消する所定の凹部を形成することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、音叉型振動子の各アーム上の駆動部と検出部を除く部分であり、かつ、前記各アーム上の凹部が設けられる箇所とは反対側に、所定の大きさの第４の開口部を有した第１のレジスト膜を介して下部電極、圧電膜と上部電極の少なくともいずれか一つを第１のドライエッチング加工により、所定の大きさの付加質量を形成する工程を備えており、前記第１のドライエッチング加工を用いることで駆動部と検出部を形成するときに前記金属材料または圧電材料を適宜選択し、Ｘ軸方向への音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を広範囲に、かつ、微小な調整が容易となる所定の大きさの付加質量を形成することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、所定の凹部を形成するための第２のレジスト膜に設けられた第３の開口部の幅の寸法は、音叉型振動子の両アーム間の隙間を形成するために前記第２のレジスト膜に設けられた第２の開口部の幅の寸法に対して、ほぼ１／１０以下であり、第２のドライエッチングを行う際に前記第２のレジスト膜に両アーム間の隙間を形成する前記第２の開口部の幅の寸法に対して、所定の凹部を形成するための前記第３の開口部の幅の寸法をほぼ１／１０以下にしているため、前記音叉型振動子の各アームをＸ軸方向に音叉振動させる時にＺ軸方向へ発生する不要信号を任意に、かつ、広範囲に調整するための凹部が前記第２のドライエッチングにより形成できる。

請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、付加質量は音叉型振動子が形成されるシリコンウエハの周辺部近傍にのみ設けてあり、プラズマの進行方向に対応して発生するアームの断面の大きな不均一性を解消するための最終微調整用としての付加質量が形成できる。

請求項１１に記載の発明は、所定の大きさのシリコンウエハ上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に圧電膜を形成する工程と、この圧電膜上に上部電極を形成する工程と、所定の大きさの第１の開口部を有した第１のレジスト膜を介して前記下部電極、圧電膜と上部電極を第１のドライエッチング加工により、前記シリコンウエハ上の所定の位置に、所定の形状の駆動部と検出部とをそれぞれ複数形成する工程と、所定の位置に前記駆動部と前記検出部とを所定の個数含んだ少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部とを有する音叉型振動子を前記シリコンウエハから所定の大きさの第２の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により複数形成する工程とを備えた角速度センサ用音叉型振動子の製造方法において、前記第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が前記各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、前記複数の音叉型振動子の各アームの主面上の前記駆動部と前記検出部を除く部分に前記プラズマの進行方向に対応させてさらに設けられた所定の大きさの第４の開口部を有した前記第１のレジスト膜を介して前記第１のドライエッチング加工により前記各アームの主面上に所定の大きさの付加質量を形成する工程を有しており、前記第２のドライエッチング加工によりプラズマの進行方向の違いに対応して前記複数の音叉型振動子の各アームの断面形状に生ずる不均一性に基づき、前記各アームをＸ軸方向に音叉駆動する際にＺ軸方向に不要信号を誘発することになる前記断面形状の不均一性を、前記第１のドライエッチング加工時に一括して解消する所定の大きさの付加質量を形成することができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向がアームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、音叉型振動子の各アーム上の駆動部と検出部を除く部分であり、かつ、前記各アーム上の付加質量が設けられている箇所とは反対側に、所定の大きさの第３の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により前記各アームの主面に所定の凹部を形成する工程を備えており、プラズマの進行方向に応じて発生するアームの断面の不均一性を解消するための最終微調整としての所定の凹部が形成できる。

本発明の角速度センサは、少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部がドライエッチング加工により形成された音叉型振動子と、前記アームの主面上に前記アームをＸ軸方向に駆動するために設けられた駆動部と、Ｙ軸周りに印加された角速度に起因する前記アームのＺ軸方向への振動を検出するための前記アームの主面上に設けられた検出部とを備えた角速度センサにおいて、前記アームをＸ軸方向に駆動する時に前記アームのＺ軸方向への不要な振動成分の発生を抑えるために、前記アームの内の一方のアームの主面上の内側に偏在した第１の所定の位置に前記ドライエッチング加工により第１の所定の凹部が設けられている場合は、前記第１の所定の位置に対応するように前記アームの内の他方のアームの主面上の外側に偏在した第２の所定の位置に前記ドライエッチング加工により同時に前記第１の所定の凹部とほぼ同じ形状の第２の所定の凹部が設けられ、前記第１の所定の凹部が前記一方のアームの主面上の外側に偏在した第３の所定の位置に前記ドライエッチング加工により設けられている場合は、前記第３の所定の位置に対応するように前記他方のアームの主面上の内側に偏在した第４の所定の位置に前記ドライエッチング加工により同時に前記第１の所定の凹部とほぼ同じ形状の前記第２の所定の凹部が設けられた角速度センサであり、薄型な角速度センサ用音叉型振動子でありながら、音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を抑制できる。

本発明の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法は、所定の大きさのシリコンウエハ上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に圧電膜を形成する工程と、この圧電膜上に上部電極を形成する工程と、所定の大きさの第１の開口部を有した第１のレジスト膜を介して前記下部電極、圧電膜と上部電極を第１のドライエッチング加工により、前記シリコンウエハ上の所定の位置に、所定の形状の駆動部と検出部とをそれぞれ複数形成する工程と、所定の位置に前記駆動部と前記検出部とを所定の個数含んだ少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部とを有する音叉型振動子を前記シリコンウエハから所定の大きさの第２の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により複数形成する工程とを備えた角速度センサ用音叉型振動子の製造方法において、前記第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が前記各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、前記複数の音叉型振動子の各アームの主面上の前記駆動部と前記検出部を除く部分に前記プラズマの進行方向に対応させてさらに設けられた所定の大きさの第３の開口部を有した前記第２のレジスト膜を介して前記第２のドライエッチング加工により前記各アームの主面に所定の凹部を形成する工程を有しており、前記第２のドライエッチング加工時のプラズマの進行方向の違いに対応して複数の音叉型振動子の各アームの断面形状に生ずる不均一性に基づき、前記各アームをＸ軸方向に音叉駆動する際にＺ軸方向に不要信号を誘発することになる前記断面形状の不均一性を、前記第２のドライエッチング加工時に一括して解消する所定の凹部を形成することができる。

また、本発明の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法は、所定の大きさのシリコンウエハ上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に圧電膜を形成する工程と、この圧電膜上に上部電極を形成する工程と、所定の大きさの第１の開口部を有した第１のレジスト膜を介して前記下部電極、圧電膜と上部電極を第１のドライエッチング加工により、前記シリコンウエハ上の所定の位置に、所定の形状の駆動部と検出部とをそれぞれ複数形成する工程と、所定の位置に前記駆動部と前記検出部とを所定の個数含んだ少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部とを有する音叉型振動子を前記シリコンウエハから所定の大きさの第２の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により複数形成する工程とを備えた角速度センサ用音叉型振動子の製造方法において、前記第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が前記各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、前記複数の音叉型振動子の各アームの主面上の前記駆動部と前記検出部を除く部分に前記プラズマの進行方向に対応させてさらに設けられた所定の大きさの第４の開口部を有した前記第１のレジスト膜を介して前記第１のドライエッチング加工により前記各アームの主面上に所定の大きさの付加質量を形成する工程を有しており、前記第２のドライエッチング加工によりプラズマの進行方向の違いに対応して前記複数の音叉型振動子の各アームの断面形状に生ずる不均一性に基づき、前記各アームをＸ軸方向に音叉駆動する際にＺ軸方向に不要信号を誘発することになる前記断面形状の不均一性を、前記第１のドライエッチング加工時に一括して解消する所定の大きさの付加質量を形成することができる。

以下に本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における角速度センサ用音叉型振動子の構造を説明するための斜視図、図２は同実施の形態１におけるシリコンウエハ内に形成される角速度センサ用音叉型振動子の配置図、図３は同角速度センサ用音叉型振動子の製造プロセスの主要工程を説明するための工程図、図４は、図２のＡ−Ａ断面における製造プロセスを説明するための工程図、図５は、図２のＢ−Ｂ断面における製造プロセスを説明するための工程図、図６は、同製造プロセスを用いて形成されたシリコンウエハ内の角速度センサ用音叉型振動子のＸ軸方向の位置とＺ軸方向へ発生する不要信号との関係を説明するための特性図である。

以下に、本実施の形態１における角速度センサ用音叉型振動子の構成について主に説明する。

図１において、１ａ，１ｂはアーム、１ｃ，１ｄはアーム１ａ，１ｂのそれぞれの主面、２はアーム１ａとアーム１ｂを連結する基部、３はアーム１ａ，１ｂと基部２を少なくとも有した非圧電材料であるシリコンからなる音叉型振動子、４ａ，４ｂはアーム１ａの主面１ｃ上のそれぞれ外側と内側に設けられた下部電極（図示せず）、圧電膜（図示せず）と上部電極（図示せず）からなる駆動部、４ｃ，４ｄはアーム１ｂの主面１ｄ上のそれぞれ内側と外側に設けられた下部電極（図示せず）、圧電膜（図示せず）と上部電極（図示せず）からなる駆動部、５ａ，５ｂはアーム１ａ，１ｂのそれぞれの主面１ｃ，１ｄ上に設けられた下部電極（図示せず）、圧電膜（図示せず）と上部電極（図示せず）からなる検出部、７ａはアーム１ａの主面１ｃ上の先端側、かつ、第３の所定の位置としての外側に設けられた下部電極（図示せず）と圧電膜（図示せず）からなる第１の所定の凸状の付加質量としての矩形状の付加質量、７ｂはアーム１ｂの主面１ｄ上の先端側、かつ、第４の所定の位置としての内側に設けられた下部電極（図示せず）と圧電膜（図示せず）からなる第２の所定の凸状の付加質量としての矩形状の付加質量、８ａはアーム１ａの主面１ｃ上の先端側、かつ、第１の所定の位置としての内側に設けられた第１の所定の凹部としての溝、８ｂはアーム１ｂの主面１ｄ上の先端側、かつ、第２の所定の位置としての外側に設けられた第２の所定の凹部としての溝である。アーム１ａ，１ｂのＸ軸方向の幅はそれぞれ２００μｍ、Ｙ軸方向の長さは３．１ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さは２００μｍである。また、アーム１ａとアーム１ｂの隙間は５０μｍである。駆動部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに駆動電圧を印加することにより音叉型振動子３のアーム１ａ，１ｂはＸ軸方向に振動する。また、Ｘ軸方向にアーム１ａ，１ｂが振動している時に、Ｙ軸周りに角速度Ωが印加されるとコリオリ力によりアーム１ａ，１ｂはＺ軸方向に振動する。このＺ軸方向に振動するアーム１ａ，１ｂのそれぞれの主面１ｃ，１ｄ上に設けられた検出部５ａ，５ｂに発生する電荷を検出回路（図示せず）で処理することにより角速度信号出力を得る。

図２において、１０はシリコンウエハであり、音叉型振動子３のアーム１ａ，１ｂの長手方向がシリコンウエハ１０のＹ軸方向を向くようにシリコンウエハ１０内に多数設けられている。

図３において、（１）は下部電極成膜工程、（２）は圧電膜成膜工程、（３）は上部電極成膜工程、（４）は上部電極用レジスト膜のパターンニング工程、（５）は上部電極のエッチング工程、（６）は圧電膜、下部電極用レジスト膜のパターンニング工程、（７）は圧電膜、下部電極エッチング工程、（８）は音叉型振動子形成用レジスト膜のパターンニング工程、（９）はシリコンウエハのエッチング工程である。

図４、図５は、シリコンウエハ１０の中心から−Ｘ軸方向に向かって３０ｍｍの位置にある角速度センサ用音叉型振動子３を形成していく例について、以下に詳細を述べる。

図４（ａ）は、図３に示す下部電極成膜工程（１）に対応し、外形がφ４インチで、厚さが２００μｍのシリコンウエハ１０を蒸着装置にセットし、下部電極としての厚さ３０００ÅのＰｔ−Ｔｉ膜１１を蒸着する。

図４（ｂ）は、図３に示す圧電膜成膜工程（２）に対応し、Ｐｔ−Ｔｉ膜１１が蒸着されたシリコンウエハ１０をスパッタ装置にセットし、圧電膜としての厚さが２．５μｍのＰＺＴ膜１２を物理的蒸着法の一種であるスパッタリングにより形成する。

図４（ｃ）は、図３に示す上部電極成膜工程（３）に対応し、ＰＺＴ膜１２が形成されたシリコンウエハ１０をスパッタ装置にセットし、上部電極としての厚さが３０００ÅのＡｕ／Ｔｉ膜１３を物理的蒸着法の一種であるスパッタリングにより形成する。

図４（ｄ）は、図３に示す上部電極用レジスト膜のパターンニング工程（４）に対応し、Ａｕ／Ｔｉ膜１３の上にレジスト膜１４を塗布し、図１に示す駆動部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、検出部５ａ，５ｂに対応する形状にパターンニングする。

図４（ｅ）は、図３に示す上部電極のエッチング工程（５）に対応し、パターンニングされたレジスト膜１４が付与されたシリコンウエハ１０をドライエッチング装置にセットし、Ａｕ／Ｔｉ膜１３を前記パターンニングされたレジスト膜１４を介して、駆動部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを構成する上部電極としてのＡｕ／Ｔｉ膜４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ、検出部５ａ，５ｂを構成する上部電極としてのＡｕ／Ｔｉ膜５ｃ，５ｄがドライエッチングによりそれぞれ形成される。

図４（ｆ）は、図３に示す圧電膜、下部電極用レジスト膜のパターンニング工程（６）に対応し、ＰＺＴ膜１２とＡｕ／Ｔｉ膜４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，５ｃ，５ｄの上に第１のレジスト膜としてのレジスト膜１５を塗布し、レジスト膜１５に図１に示す駆動部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと検出部５ａ，５ｂに対応するような形状の第１の開口部をパターンニングする。

図４（ｇ）は、図３に示す圧電膜、下部電極エッチング工程（７）に対応し、パターンニングされた第１の開口部を有したレジスト膜１５が付与されたシリコンウエハ１０をドライエッチング装置にセットし、ＰＺＴ膜１２とＰｔ−Ｔｉ膜１１を前記パターンニングされたレジスト膜１５を介して、第１のドライエッチング加工としてのドライエッチングにより駆動部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを構成するＰＺＴ膜４ｉ，４ｊ，４ｋ，４ｌ、Ｐｔ−Ｔｉ膜４ｍ，４ｎ，４ｏ，４ｐと、検出部５ａ，５ｂを構成するＰＺＴ膜５ｅ，５ｆ、Ｐｔ−Ｔｉ膜５ｇ，５ｈがそれぞれ形成される。

図４（ｈ）は、図３に示す音叉型振動子形成用レジスト膜のパターンニング工程（８）に対応し、図１に示す駆動部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと検出部５ａ，５ｂとシリコンウエハ１０上に第２のレジスト膜としてのレジスト膜１６を塗布し、レジスト膜１６に図１に示すアーム１ａと１ｂの隙間が５０μｍに対応するような形状の第２の開口部をパターンニングする。

図４（ｉ）は、図３に示すシリコンウエハのエッチング工程（９）に対応し、パターンニングされた第２の開口部を有したレジスト膜１６が付与されたシリコンウエハ１０をドライエッチング装置にセットし、シリコンウエハ１０にＳＦ₆ガスを用い、ｒｆ電力２５００Ｗで８秒ドライエッチングし、その後、ＣＦ₄ガスに交換し、ｒｆ電力１８００Ｗで３秒印加し保護膜（図示せず）を付着させる。前記ドライエッチングと保護膜の付着を１セットにした工程を２４０セット繰り返す第２のドライエッチング加工としてドライエッチングを行う。第２のドライエッチング加工後のアーム１ａの内側面１７ａはプラズマの進行方向に対応するような傾斜面となっており、アーム１ａの外側面１８ａはシリコンウエハ１０の表面にほぼ垂直な面に仕上がっている。同様に、アーム１ｂの外側面１７ｂはプラズマの進行方向に対応するような傾斜面となっており、アーム１ｂの内側面１８ｂはシリコンウエハ１０の表面にほぼ垂直な面に仕上がっている。

図５（ａ）は、図３に示す下部電極成膜工程（１）に対応した前述の図４（ａ）に示す工程と同じである。

図５（ｂ）は、図３に示す圧電膜成膜工程（２）に対応した前述の図４（ｂ）に示す工程と同じである。

図５（ｃ）は、図３に示す上部電極成膜工程（３）に対応した前述の図４（ｃ）に示す工程と同じである。

図５（ｄ）は、基本的に図４（ｄ）に示す工程と同様に図３に示す上部電極用レジスト膜のパターンニング工程（４）に対応するが、Ａｕ／Ｔｉ膜１３の上にレジスト膜１４を塗布し、露光、現像した後に、Ａｕ／Ｔｉ膜１３全面を覆うレジスト膜１４は完全に除去される。

図５（ｅ）は、基本的に図４（ｅ）に示す工程と同様に図３に示す上部電極のエッチング工程（５）に対応するが、Ａｕ／Ｔｉ膜１３は図４（ｅ）に記したドライエッチングにより完全に取り除かれる。

図５（ｆ）は、基本的に図４（ｆ）に示す工程と同様に図３に示す圧電膜、下部電極用レジスト膜のパターンニング工程（６）に対応し、ＰＺＴ膜１２とＰｔ−Ｔｉ膜１１の上に第１のレジスト膜としてのレジスト膜１５を塗布し、レジスト膜１５に図１に示す付加質量７ａ，７ｂに対応するような形状の第４の開口部をパターンニングする。

図５（ｇ）は、基本的に図４（ｇ）に示す工程と同様に図３に示す圧電膜、下部電極エッチング工程（７）に対応し、パターンニングされた第４の開口部を有したレジスト膜１５が付与されたシリコンウエハ１０をドライエッチング装置にセットし、ＰＺＴ膜１２とＰｔ−Ｔｉ膜１１を前記パターンニングされたレジスト膜１５を介して、第１のドライエッチング加工としてのドライエッチングにより図１に示す付加質量７ａ，７ｂを構成するＰＺＴ膜７ｃ，７ｄ、Ｐｔ−Ｔｉ膜７ｅ，７ｆがそれぞれ形成される。付加質量７ａ，７ｂの形状はＸ軸方向の幅９０μｍ、Ｙ軸方向の長さ１８００μｍである。

図５（ｈ）は、基本的に図４（ｈ）に示す工程と同様に図３に示す音叉型振動子形成用レジスト膜のパターンニング工程（８）に対応するが、図１に示す付加質量７ａ，７ｂとシリコンウエハ１０上に第２のレジスト膜としてのレジスト膜１６を塗布し、図１に示すアーム１ａと１ｂの隙間５０μｍに対応するような形状を有した第２の開口部と溝８ａ，８ｂに対応するような形状（Ｘ軸方向の幅５μｍ、Ｙ軸方向の長さ１８００μｍ）を有した第３の開口部をパターンニングする。

図５（ｉ）は、基本的に図４（ｉ）に示す工程と同様に図３に示すシリコンウエハのエッチング工程（９）に対応し、パターンニングされた第２の開口部と第３の開口部を有したレジスト膜１６が付与されたシリコンウエハ１０を図４（ｉ）に記したドライエッチング装置にセットし、シリコンウエハ１０にＳＦ₆ガスを用い、ｒｆ電力２５００Ｗで８秒ドライエッチングし、その後、ＣＦ₄ガスに交換し、ｒｆ電力１８００Ｗで３秒印加し保護膜（図示せず）を付着させる。前記ドライエッチングと保護膜の付着を１セットにした工程を２４０セット繰り返す第２のドライエッチング加工としてドライエッチングを行う。第２のドライエッチング加工後のアーム１ａの内側面１７ａは、図４（ｉ）に示したと同様にプラズマの進行方向に対応するような傾斜面となっており、アーム１ａの外側面１８ａはシリコンウエハ１０の表面にほぼ垂直な面に仕上がっている。同様に、アーム１ｂの外側面１７ｂはプラズマの進行方向に対応するような傾斜面となっており、アーム１ｂの内側面１８ｂはシリコンウエハ１０の表面にほぼ垂直な面に仕上がっている。アーム１ａに形成された溝８ａの形状は、Ｘ軸方向の幅が５μｍ、Ｙ軸方向の長さが１８００μｍ、Ｚ軸方向の深さが１００μｍとなる。同様に、アーム１ｂに形成された溝８ｂの形状は、Ｘ軸方向の幅が５μｍ、Ｙ軸方向の長さが１８００μｍ、Ｚ軸方向の深さがほぼ１００μｍとなる。

図４、図５においては、図２に示すシリコンウエハ１０の中心から−Ｘ軸方向に向かって３０ｍｍの位置にある角速度センサ用音叉型振動子３を形成する例について詳細に説明したが、プラズマの進行方向を考慮に入れ、例えば図２に示すシリコンウエハ１０の中心から−Ｘ軸方向に向かって２０ｍｍの位置にある角速度センサ用音叉型振動子３において、アーム１ａに形成される溝８ａの形状は、Ｘ軸方向の幅が５μｍ、Ｙ軸方向の長さが９００μｍ、Ｚ軸方向の深さがほぼ１００μｍとなるように、第２のレジスト膜としてのレジスト膜１６の第３の開口部を設計する。同様に、図２に示すシリコンウエハ１０の中心から−Ｘ軸方向に向かって１０ｍｍの位置にある角速度センサ用音叉型振動子３において、アーム１ａに形成される溝８ａの形状は、Ｘ軸方向の幅が５μｍ、Ｙ軸方向の長さが３００μｍ、Ｚ軸方向の深さがほぼ１００μｍとなるように、第２のレジスト膜としてのレジスト膜１６の第３の開口部を設計する。

図６において、横軸はシリコンウエハ１０の中心からＸ軸方向の距離（ｍｍ）、Ｙ軸は音叉型振動子３をＸ軸方向に駆動した時のＺ軸方向へ発生する不要信号（任意）である。また、図７に示す従来のドライエッチング加工によりシリコンウエハ１０３から音叉型振動子を製造する方法で形成された音叉型振動子をＸ軸方向に駆動した時に発生するＺ軸方向への不要信号の値を図６に併記してある。図６に示すように、シリコンウエハ１０の中心からＸ軸方向に±３０ｍｍの範囲において、所望の角速度センサに要求されるＺ軸方向への不要信号の発生量が許容値以内に収まっていることがわかる。

図６においては、シリコンウエハ１０の中心からＸ軸方向に±３０ｍｍの範囲における音叉型振動子３についてのＺ軸方向への不要信号の発生に関するデータを示したが、本願発明の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法の技術思想であるプラズマの発生源からのプラズマの進行方向の性向を配慮したレジスト膜を用いてドライエッチングを行うことで、シリコンウエハ１０内の所定の領域において、所望の角速度センサに要求されるＺ軸方向への不要信号の発生量を許容値以内に収めることができる。

本実施の形態においては、プラズマの発生源からのプラズマの進行方向の性向を配慮して、溝のＸ軸方向の幅を５μｍに固定し、溝のＹ軸方向の長さを可変することによりＺ軸方向への不要信号の発生量を抑える例について説明してきたが、角速度センサに要求されるＺ軸方向への不要信号の発生量の許容範囲の大きさによっては、アーム１ａとアーム１ｂの隙間が５０μｍで、溝のＹ軸方向の長さを例えば１８００μｍに固定し、溝のＸ軸方向の幅を１〜５μｍの範囲に可変することによって、角速度センサに要求されるＺ軸方向への不要信号の発生量を所定の範囲に抑えることも可能になる。角速度センサに要求されるＺ軸方向への不要信号の発生量の許容範囲の大きさによっては、アーム１ａとアーム１ｂの隙間の寸法に対する溝のＸ軸方向の幅の寸法の比率をさらに小さくすることも可能である。

本実施の形態においては、凹部の形状として矩形の溝を設ける例について説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく矩形の溝以外の様々な形状が考えられる。

また、本実施の形態においては、付加質量の形状として矩形状のものについて説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく矩形以外の様々な形状が考えられる。

また、本実施の形態においては、付加質量と凹部を設ける位置の例としてアーム１ａ，１ｂの先端側に設ける例について説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく、基部２に近い側に設けることも当然可能である。

また、本実施の形態においては、プラズマの発生源からのプラズマの進行方向によるアーム１ａと１ｂの断面に傾斜した面が現れることにより、音叉型振動子をＸ軸方向に駆動するときにＺ軸方向に発生する不要信号を抑制する施策として、付加質量の形状を一定の大きさに固定し、凹部の形状を可変する例について説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく、凹部の形状を一定の大きさに固定し逆に付加質量の形状を可変することで音叉型振動子をＸ軸方向に駆動する時にＺ軸方向に発生する不要信号を抑制することも可能である。

また、角速度センサに要求されるＺ軸方向への不要信号の発生量の許容範囲の大きさによっては、アームに設ける付加質量や凹部はシリコンウエハの周辺部近傍に形成する音叉型振動子に限定されることもある。

本発明は、Ｘ軸方向への音叉振動時におけるＺ軸方向への不要信号の発生を抑制できる角速度センサ用音叉型振動子をシリコンウエハに一括して形成できる製造方法およびその薄型な角速度センサ用音叉型振動子を用いた角速度センサとして有用である。

本発明の実施の形態１における角速度センサ用音叉型振動子の構造を説明するための斜視図同実施の形態１におけるシリコンウエハ内に形成される角速度センサ用音叉型振動子の配置図同角速度センサ用音叉型振動子の製造プロセスの主要工程を説明するための工程図図２のＡ−Ａ断面における製造プロセスを説明するための工程図図２のＢ−Ｂ断面における製造プロセスを説明するための工程図同製造プロセスを用いて形成されたシリコンウエハ内の角速度センサ用音叉型振動子のＸ軸方向の位置とＺ軸方向へ発生する不要信号との関係を説明するための特性図従来の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法の概略図図７に示す製造方法のＡ部断面の詳細な製造プロセスを説明するための工程図

符号の説明

１ａ，１ｂアーム
１ｃ，１ｄ主面
２基部
３音叉型振動子
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ駆動部
５ａ，５ｂ検出部
７ａ，７ｂ付加質量
８ａ，８ｂ溝
１０シリコンウエハ
１１，４ｍ，４ｎ，４ｏ，４ｐ，５ｇ，５ｈ，７ｅ，７ｆＰｔ−Ｔｉ膜
１２，４ｉ，４ｊ，４ｋ，４ｌ，５ｅ，５ｆ，７ｃ，７ｄＰＺＴ膜
１３，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，５ｃ，５ｄＡｕ／Ｔｉ膜
１４，１５，１６レジスト膜
１７ａ，１８ｂ内側面
１７ｂ，１８ａ外側面

Claims

少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部がドライエッチング加工により形成された音叉型振動子と、前記アームの主面上に前記アームをＸ軸方向に駆動するために設けられた駆動部と、Ｙ軸周りに印加された角速度に起因する前記アームのＺ軸方向への振動を検出するための前記アームの主面上に設けられた検出部とを備えた角速度センサにおいて、前記アームをＸ軸方向に駆動する時に前記アームのＺ軸方向への不要な振動成分の発生を抑えるために、前記アームの内の一方のアームの主面上の内側に偏在した第１の所定の位置に前記ドライエッチング加工により第１の所定の凹部が設けられている場合は、前記第１の所定の位置に対応するように前記アームの内の他方のアームの主面上の外側に偏在した第２の所定の位置に前記ドライエッチング加工により同時に前記第１の所定の凹部とほぼ同じ形状の第２の所定の凹部が設けられ、前記第１の所定の凹部が前記一方のアームの主面上の外側に偏在した第３の所定の位置に前記ドライエッチング加工により設けられている場合は、前記第３の所定の位置に対応するように前記他方のアームの主面上の内側に偏在した第４の所定の位置に前記ドライエッチング加工により同時に前記第１の所定の凹部とほぼ同じ形状の前記第２の所定の凹部が設けられた角速度センサ。
第１または第３の所定の位置に設けられた第１の所定の凹部と第２または第４の所定の位置に設けられた第２の所定の凹部は、アームのＹ軸方向に伸びた所定の長さ、幅と深さを有した溝である請求項１に記載の角速度センサ。
第１、第２の所定の位置にそれぞれ第１、第２の所定の凹部が設けられている場合は、第３、第４の所定の位置にそれぞれほぼ同一の形状の第１、第２の所定の凸状の付加質量が設けられ、前記第３、第４の所定の位置にそれぞれ前記第１、第２の所定の凹部が設けられている場合は、前記第１、第２の所定の位置にそれぞれ前記第１、第２の所定の凸状の付加質量が設けられた請求項１に記載の角速度センサ。
第１または第３の所定の位置に設けられた第１の所定の凸状の付加質量と第２または第４の所定の位置に設けられた第２の所定の凸状の付加質量は、アームのＹ軸方向に伸びた所定の長さ、幅と厚さを有した矩形状である請求項３に記載の角速度センサ。
第１、第２の所定の凸状の付加質量は、物理的蒸着法により形成された金属材料または圧電材料の少なくともいずれか１つからなる請求項３に記載の角速度センサ。
第１、第２の所定の凹部としての溝の幅の寸法は、一方のアームと他方のアームの間の隙間の寸法に対して、ほぼ１／１０以下である請求項２に記載の角速度センサ。
所定の大きさのシリコンウエハ上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に圧電膜を形成する工程と、この圧電膜上に上部電極を形成する工程と、所定の大きさの第１の開口部を有した第１のレジスト膜を介して前記下部電極、圧電膜と上部電極を第１のドライエッチング加工により、前記シリコンウエハ上の所定の位置に、所定の形状の駆動部と検出部とをそれぞれ複数形成する工程と、所定の位置に前記駆動部と前記検出部とを所定の個数含んだ少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部とを有する音叉型振動子を前記シリコンウエハから所定の大きさの第２の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により複数形成する工程とを備えた角速度センサ用音叉型振動子の製造方法において、前記第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が前記各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、前記複数の音叉型振動子の各アームの主面上の前記駆動部と前記検出部を除く部分に前記プラズマの進行方向に対応させてさらに設けられた所定の大きさの第３の開口部を有した前記第２のレジスト膜を介して前記第２のドライエッチング加工により前記各アームの主面に所定の凹部を形成する工程を有した角速度センサ用音叉型振動子の製造方法。
第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、音叉型振動子の各アーム上の駆動部と検出部を除く部分であり、かつ、前記各アーム上の凹部が設けられる箇所とは反対側に、所定の大きさの第４の開口部を有した第１のレジスト膜を介して下部電極、圧電膜と上部電極の少なくともいずれか一つを第１のドライエッチング加工により、所定の大きさの付加質量を形成する工程を備えた請求項７に記載の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法。
所定の凹部を形成するための第２のレジスト膜に設けられた第３の開口部の幅の寸法は、音叉型振動子の両アーム間の隙間を形成するために前記第２のレジスト膜に設けられた第２の開口部の幅の寸法に対して、ほぼ１／１０以下である請求項７に記載の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法。
付加質量は音叉型振動子が形成されるシリコンウエハの周辺部近傍にのみ設ける請求項８に記載の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法。
所定の大きさのシリコンウエハ上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に圧電膜を形成する工程と、この圧電膜上に上部電極を形成する工程と、所定の大きさの第１の開口部を有した第１のレジスト膜を介して前記下部電極、圧電膜と上部電極を第１のドライエッチング加工により、前記シリコンウエハ上の所定の位置に、所定の形状の駆動部と検出部とをそれぞれ複数形成する工程と、所定の位置に前記駆動部と前記検出部とを所定の個数含んだ少なくとも２つのアームとこのアームを連結する少なくとも１つの基部とを有する音叉型振動子を前記シリコンウエハから所定の大きさの第２の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により複数形成する工程とを備えた角速度センサ用音叉型振動子の製造方法において、前記第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向が前記各アームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、前記複数の音叉型振動子の各アームの主面上の前記駆動部と前記検出部を除く部分に前記プラズマの進行方向に対応させてさらに設けられた所定の大きさの第４の開口部を有した前記第１のレジスト膜を介して前記第１のドライエッチング加工により前記各アームの主面上に所定の大きさの付加質量を形成する工程を有した角速度センサ用音叉型振動子の製造方法。
第１、第２のドライエッチング加工用のプラズマの進行方向がアームのＹ軸を含むＹＺ平面に対して平行でない場合は、音叉型振動子の各アーム上の駆動部と検出部を除く部分であり、かつ、前記各アーム上の付加質量が設けられている箇所とは反対側に、所定の大きさの第３の開口部を有した第２のレジスト膜を介して第２のドライエッチング加工により前記各アームの主面に所定の凹部を形成する工程を備えた請求項１１に記載の角速度センサ用音叉型振動子の製造方法。